Resumo Simulações pelo método dos elementos finitos (MEF) foram realizadas para entender os efeitos das taxas de aquecimento/resfriamento na distribuição de tensões residuais. Dois parâmetros de material dos trilhos foram usados, enquanto as condições de contorno permaneceram constantes: tamanho da zona afetada pelo calor, temperatura máxima e taxa de extração de aquecimento. Para complementar a análise, foi realizada uma solda de topo por centelhamento de um trilho Premium com parâmetros de soldagem ajustado para obter uma baixa extensão de zona afetada pelo calor, sem resfriamento forçado, para examinar a microestrutura formada nas regiões críticas na alma e no extremo do patim. Os resultados mostraram que houve concentração de tensões residuais verticais na região da alma, enquanto a presença de tensão residual de compressão no sentido horizontal foi predominantemente superficial na região do trilho superior. Ao usar dois parâmetros de simulação de materiais semelhantes (trilhos), os resultados foram substancialmente diferentes. Os exames metalográficos mostraram que não havia presença de microconstituintes aciculares (martensita/bainita). Além disso, foi observada ferrita pro-eutetóide na região central, cementita em contorno de grão austenítico prévio na região próxima a AC3 e esferoidização quase completa na região de sítio de esferoidização máxima da alma. Em contrapartida, na região do extremo do patim, apresentou microestrutura completamente perlítica na região central e próxima a AC3 e menor volume de esferoidização na região de máxima esferoidização, provavelmente devido à maior taxa de resfriamento nesta região.

Abstract Simulations using the finite element method (FEM) were done to understand the effects of heating/cooling rates on the distribution of residual stresses. Two material parameters from rails were used while the boundary conditions remained constant: heat-affected zone size, maximum temperature and heating extraction rate. To complement the analysis, a flash-butt weld of a Premium rail was done with welding parameters adjusted to obtain a narrow HAZ, without forced cooling, to examine the microstructure formed in the critical regions in the web and the edge of the rail foot. The results showed that there was a concentration of vertical residual stresses in the web region, while the presence of horizontal compression residual stresses was mostly superficial in the rail head region. The main result from the simulation sets was that when using two simulation parameters with similar materials (rails) substantially different results were obtained. Metallographic examinations showed that there was no presence of acicular microconstituents (martensite/bainite). In the rail web, proeutectoid ferrite was observed in the central region, cementite in a previous austenitic grain boundary, in the region that reached temperatures close to AC3, and almost complete spheroidization in the region of maximum spheroidization. In contrast, in the rail foot edge region, there was a completely pearlitic microstructure, in the central region and in the zone that reached temperatures close to AC3, and a lower volume of spheroidization in the region where maximum spheroidization is typically observed, probably due to the higher cooling rate in this region.